光场采样取得突破，推动高速光电技术发展

诸平

A strong few-cycle laser pulse leads to strong-field ionization of gas atoms and molecules. Credit: © RMT Bergues

据德国慕尼黑路德维希·马克西米利安大学（Ludwig Maximilian University of Munich简称LMU）2022年3月19日报道，LMU物理学家在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站报告了光场采样过程中发生的情况——Johannes Schötz, Ancyline Maliakkal, Johannes Blöchl, Dmitry Zimin, Zilong Wang, Philipp Rosenberger, Meshaal Alharbi, Abdallah M. Azzeer, Matthew Weidman, Vladislav S. Yakovlev, Boris Bergues, Matthias F. Kling. The emergence of macroscopic currents in photoconductive sampling of optical fields. Nature Communications, 2022, 13, Article number: 962. DOI: 10.1038/s41467-022-28412-7. Published: 18 February 2022. https://www.nature.com/articles/s41467-022-28412-7

此项研究结果是迈向新型光电应用的重要一步，光场采样技术的突破推动了高速光电子技术的发展（Breakthrough in Sampling of Light Fields Advances High-Speed Opto-Electronics）。参与此项研究的除了来自LMU的研究人员之外，还有来自德国马克斯·普朗克量子光学研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）、沙特阿拉伯沙特国王大学（King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia）、美国斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center简称SLAC）国家实验室（SLAC National Laboratory, Menlo Park, CA, USA）以及美国斯坦福大学（Stanford University, CA, USA）的研究人员。上述图片是强的少周期激光脉冲导致气体原子和分子的强场电离。

未来的电子产品将很快。它可以以光波的频率驱动。这意味着开关速度将比现在快大约 10万倍。由光驱动的电子产品的发展需要对光波的电磁场进行详细的表征。现代所谓的场采样方法（field-sampling methods）允许探测光场的时间演化。虽然这些技术已经建立，但对其潜在机制的完整和详细了解一直缺乏。

现在，在实验研究和数值计算的帮助下，LMU的一个国际性合作团队在马提亚斯·克林（Matthias Kling）教授和鲍里斯·贝尔格（Boris Bergues）博士的领导下，揭示了光场采样过程中究竟发生了什么，以及它们与物质的相互作用如何引起可测量的电子电路中的电流。该论文的第一作者约翰内斯·舍茨（Johannes Schötz）博士解释说：“产生的电荷载流子的散射和电荷相互作用，在通过气体中超快电流产生形成宏观信号中起着至关重要的作用。”该研究是迈向新型光电应用的重要一步，它为未来的光场控制电子设备铺平了道路。凭借他们的发现，科学家们预计将推动更有效和高度敏感的皮赫兹（PHz）场测量的发展。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Photoconductive field sampling enables petahertz-domain optoelectronic applications that advance our understanding of light-matter interaction. Despite the growing importance of ultrafast photoconductive measurements, a rigorous model for connecting the microscopic electron dynamics to the macroscopic external signal is lacking. This has caused conflicting interpretations about the origin of macroscopic currents. Here, we present systematic experimental studies on the signal formation in gas-phase photoconductive sampling. Our theoretical model, based on the Ramo–Shockley-theorem, overcomes the previously introduced artificial separation into dipole and current contributions. Extensive numerical particle-in-cell-type simulations permit a quantitative comparison with experimental results and help to identify the roles of electron-neutral scattering and mean-field charge interactions. The results show that the heuristic models utilized so far are valid only in a limited range and are affected by macroscopic effects. Our approach can aid in the design of more sensitive and more efficient photoconductive devices.